WO2024034363A1 - アーク溶接方法 - Google Patents

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WO2024034363A1
WO2024034363A1 PCT/JP2023/026855 JP2023026855W WO2024034363A1 WO 2024034363 A1 WO2024034363 A1 WO 2024034363A1 JP 2023026855 W JP2023026855 W JP 2023026855W WO 2024034363 A1 WO2024034363 A1 WO 2024034363A1
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WO
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welding
current
value
workpiece
welding wire
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/026855
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English (en)
French (fr)
Inventor
範幸 松岡
婉玉 鉄
将史 藤原
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/06—Arrangements or circuits for starting the arc, e.g. by generating ignition voltage, or for stabilising the arc
    • B23K9/073—Stabilising the arc
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/12—Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/23—Arc welding or cutting taking account of the properties of the materials to be welded

Definitions

  • the present disclosure relates to arc welding methods, particularly arc welding methods for magnesium-based materials.
  • magnesium or magnesium alloys (hereinafter sometimes referred to as magnesium-based materials) have been used as structural members of vehicles and the like because they are lighter than aluminum.
  • magnesium-based materials are less susceptible to deformation at room temperature than aluminum or aluminum alloys (hereinafter sometimes referred to as aluminum-based materials), and in order to obtain members of various shapes, member processing using welding is required. becomes necessary.
  • Patent Document 1 proposes a TIG welding method for magnesium-based materials using an AC power source as a welding power source.
  • a deep penetration depth is achieved by flowing a shielding gas consisting of an inert gas and an oxidizing gas toward the workpiece to cover the tungsten electrode.
  • magnesium-based materials are lighter than aluminum-based materials, so if the arc reaction force is high, short circuits are less likely to occur, droplets grow excessively, and spatter is more likely to occur.
  • the present disclosure has been made in view of these points, and its purpose is to provide an arc welding method for magnesium-based materials that can improve welding speed and suppress the occurrence of spatter.
  • an arc welding method is an arc welding method that at least performs short-circuit welding on a workpiece by alternately repeating forward feeding and reverse feeding of a welding wire, and the method comprises:
  • the material of the wire is magnesium or a magnesium alloy, and when forward feeding the welding wire, the welding wire is fed toward the workpiece so that the welding wire and the workpiece are short-circuited, and the welding wire is During reverse feeding, the welding wire is fed in the opposite direction to the forward feeding of the welding wire so that the short circuit between the welding wire and the workpiece is broken.
  • the present invention is characterized by comprising at least a third step of controlling the welding current so as to maintain the third value until the welding wire and the workpiece are short-circuited.
  • welding speed can be improved compared to TIG welding. Furthermore, since excessive growth of droplets can be suppressed, welding defects such as spatter can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an arc welding apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing output waveforms of welding current and welding voltage and changes in wire feeding speed during short-circuit welding.
  • FIG. 3 is a diagram showing output waveforms of welding current and welding voltage during short-circuit welding, and temporal changes in the distance between the tip of the welding wire and the workpiece.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the waveform of welding current during short-circuit welding.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the average current and the current immediately before a short circuit according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between average current and forward feed speed according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the average current and the low current duration period after the short circuit is opened according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between average current and power integration threshold according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an arc welding apparatus according to this embodiment.
  • the arc welding device 16 performs welding between a welding wire 18, which is a consumable electrode, and a workpiece 17, which is an object to be welded, by repeating an arc state and a short-circuit state.
  • the welding wire 18 is held by a torch (not shown), and as the torch moves at a predetermined speed, the tip of the welding wire 18 similarly moves at the same speed along a predetermined welding section.
  • the arc welding device 16 includes a main transformer 2, a primary rectifier 3, a switching unit 4, a DCL (reactor) 5, a secondary rectifier 6, a welding current detector 7, and a welding voltage detector. 8, a control switching section 9, an output control section 10, and a wire feeding speed control section 13. Further, the arc welding device 16 includes a robot control section (not shown) that controls the operation of a robot (not shown) that holds a torch (not shown).
  • control switching section 9, the output control section 10, and the wire feeding speed control section 13 are all composed of one or more CPUs (Central Processing Units).
  • control switching section 9, the output control section 10, and the wire feeding speed control section 13 are all configured with one or more MCUs (Micro Control Units).
  • the control switching section 9, the output control section 10, and the wire feeding speed control section 13 may be configured by the same CPU or MCU.
  • the output control section 10 has a short circuit welding control section 11 and a pulse welding control section 12.
  • the wire feeding speed control section 13 includes a wire feeding speed detection section 14 and a calculation section 15.
  • the primary side rectifier 3 rectifies the input voltage input from the input power source (three-phase AC power source) 1 located outside the arc welding device 16 .
  • the switching section 4 controls the output of the primary side rectifying section 3 to an output suitable for welding.
  • the main transformer 2 converts the output of the switching section 4 into an output suitable for welding.
  • the secondary rectifier 6 rectifies the output of the main transformer 2.
  • a DCL (reactor) 5 smoothes the output of the secondary rectifier 6 to a current suitable for welding.
  • Welding current detection section 7 detects welding current I flowing through welding wire 18.
  • Welding voltage detection section 8 detects welding voltage V applied between welding wire 18 and workpiece 17.
  • the control switching unit 9 is a switching unit that outputs the timing for switching from short circuit welding control to pulse welding control to the output control unit 10.
  • the control switching section 9 has a timing function, measures a predetermined time set by the welding condition setting section 22, and outputs the timing for switching control to the output control section 10 and the wire feeding speed control section 13.
  • the output control section 10 outputs a control signal to the switching section 4 to control the welding output.
  • the short circuit welding control section 11 controls short circuit welding when the control switching section 9 commands short circuit welding.
  • the pulse welding control unit 12 controls pulse welding when the control switching unit 9 instructs pulse welding.
  • the output control unit 10 controls the welding current I so that the average current IS .
  • the average current IS is a moving average value of the welding current I over a predetermined period.
  • the output control unit 10 also includes a calculation unit (not shown) that calculates a power integrated value by integrating the power supplied to the welding wire 18 within a predetermined period. The calculation unit calculates the electric power supplied to the welding wire 18 based on the product of the welding current and the welding voltage.
  • the wire feeding speed control section 13 controls the wire feeding section 21 to control the feeding speed S of the welding wire 18 (hereinafter referred to as wire feeding speed S).
  • the wire feeding speed detection section 14 detects the wire feeding speed S.
  • the calculation unit 15 calculates the cumulative feed amount of the welding wire 18 based on the signal from the wire feed speed detection unit 14, and controls the wire feed speed S. Specifically, the command value and the detected value of the wire feed speed S are compared to find a difference, and based on the cumulative amount of the difference, feedback control is performed to adjust the actual wire feed speed S to the command value. I do.
  • a wire feeding section 21 and a welding condition setting section 22 are connected to the arc welding device 16.
  • the welding condition setting section 22 is used to set welding conditions in the arc welding device 16. Further, the welding condition setting section 22 includes a short circuit welding setting section 23 and a pulse welding setting section 24.
  • the wire feeding section 21 controls the feeding of the welding wire 18 based on the signal from the wire feeding speed control section 13 . Note that welding programs, etc., in which welding output control procedures and welding wire 18 feeding procedures during short-circuit welding and pulse welding are described, are stored in a storage unit (not shown).
  • the welding output of the arc welding device 16 is supplied to the welding wire 18 via the welding tip 20 when a torch SW (not shown) is turned on. Then, an arc 19 is generated between the welding wire 18 and the workpiece 17 using the welding output of the arc welding device 16 to perform welding.
  • FIG. 2 is a diagram showing output waveforms of welding current and welding voltage and changes in wire feeding speed during short-circuit welding.
  • FIG. 3 is a diagram showing output waveforms of welding current and welding voltage during short-circuit welding, and temporal changes in the distance between the tip of the welding wire and the workpiece.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the waveform of welding current during short-circuit welding.
  • the material of the welding wire 18 is a magnesium alloy (AZ61), the wire diameter is 1.2 mm, and the material of the workpiece 17 is a magnesium alloy (AZ31).
  • both the welding wire 18 and the workpiece 17 may be made of a magnesium alloy with a different composition, or may be made of magnesium itself.
  • the shielding gas sprayed onto the workpiece is Ar (argon) gas, and its flow rate is set to 20 L/min.
  • the flow rate of the shielding gas is not particularly limited to this.
  • the average current IS is separately adjusted depending on the thickness of the workpiece 17. If the plate thickness is thin, the average current I S is set to a low value, and if the plate thickness is thick, the average current I S is set to a high value. For example, if the plate thickness is about 1 mm, the average current I S is set to about 40 A, and if the plate thickness is about 3 mm, the average current I S is set to about 80 A. If the plate thickness is about 6 mm, the average current IS is set to be 140 A or more.
  • the welding period T including the arc period TARC and the following short-circuit period TS is used as the basic unit, and the welding period is The process included in T is executed.
  • the arc period TARC an arc 19 is generated between the workpiece 17 and the welding wire 18.
  • the short circuit period T SHORT the workpiece 17 and the welding wire 18 are short-circuited.
  • the welding period T is set to be approximately 120 msec.
  • the welding period T, the arc period T ARC , and the short circuit period T SHORT are not necessarily constant, and may vary depending on changes in the timing at which the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited.
  • the wire feeding speed S changes periodically with the welding period T as a period.
  • the welding wire 18 is fed closer to the workpiece 17, that is, a normal feeding operation is performed.
  • the wire feeding speed S in this case is sometimes referred to as a normal feeding speed SF .
  • the welding wire 18 is fed away from the workpiece 17, that is, a reverse feeding operation is performed.
  • the wire feeding speed S in this case is sometimes referred to as the reverse feeding speed SR .
  • the waveform of the wire feeding speed S that is, the shape such as amplitude and slope with respect to time, is determined in advance for each average current IS described above. Furthermore, the waveform of the wire feeding speed S changes in conjunction with the output waveform of the welding current I.
  • the period from time tn1 to tn3 is an arc period T ARC
  • the period from time tn3 to t(n+1)1 is a short circuit period T SHORT .
  • n is an integer of 1 or more, 1 ⁇ n ⁇ m
  • m is the number of repetitions of the welding period T during short-circuit welding.
  • time changes in welding current I, welding voltage V, wire feeding speed S, and distance L between welding wire 18 and workpiece 17 (hereinafter simply referred to as distance L) will be explained below. .
  • the wire feeding speed S is negative and the welding wire 18 is being fed backwards.
  • the wire feeding speed control unit 13 controls the wire feeding speed S so that it approaches zero. In other words, the operation of the welding wire 18 changes from reverse feeding to forward feeding. Further, after time tn1, the welding voltage V changes from zero to a positive value. That is, the short circuit between the welding wire 18 and the workpiece 17 begins to be opened, and the distance L begins to change from zero to a positive value.
  • the output control unit 10 controls the current value of the welding current I to be equal to ID from time tn1 until a period T1 (see FIG. 4) has elapsed.
  • the period T1 may be referred to as the first period T1 or the low current continuation period T1 after short-circuit opening, and the current value ID may be referred to as the fourth value ID .
  • the welding wire 18 When the period T1 has elapsed from the time tn1, the welding wire 18 is in the forward feeding operation. After the period T1 has elapsed, the output control unit 10 significantly increases the welding current I until it reaches the current value IA .
  • the fourth value I D is approximately 25% to 40% of the current value I A.
  • the current value IA may be referred to as a first value IA .
  • the distance L is at its maximum value, which is about 4 mm in this case.
  • a droplet of a predetermined size is formed at the tip of the welding wire 18.
  • the wire feeding speed control section 13 reduces the wire feeding speed S. Further, the output control unit 10 controls the welding current I to a current value I B (I B ⁇ I A ). Note that the reason why the current value of the welding current I is set to IB is to adjust the heat input to a weld bead (not shown) formed on the workpiece 17 by welding.
  • the current value IB , the time for maintaining this value, etc. can be changed as appropriate depending on the amount of heat input to be adjusted.
  • the output control unit 10 controls the welding current I to reach the current value IC before the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited. do. Further, the output control unit 10 controls the welding current I to maintain the current value I C from the time the welding current I reaches the current value I C until the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited.
  • the period T2 in which the current value of the welding current I is maintained at I C is referred to as a second period T2, and the current value I C is referred to as a third value I C or a short circuit. This is sometimes called the immediately preceding current IC .
  • the third value I C is approximately 30% to 40% of the first value I A. Further, in this embodiment, the third value I C is set to be higher than the fourth value I D. However, the present invention is not particularly limited to this, and the third value I C may be less than or equal to the fourth value ID .
  • the output control unit 10 controls the welding current I to a fourth value ID .
  • the welding current I reaches the fourth value ID , and short-circuit welding progresses in sequence.
  • the amount of heat applied to the welding wire 18 corresponds to the power integrated value described above. Therefore, in actual control, when the power integrated value reaches the predetermined threshold value PTH , the output control section 10 controls the welding current I to reach the fourth value ID .
  • the threshold value P TH may be referred to as a power integration threshold value P TH .
  • the output control unit 10 and the wire feeding speed control unit 13 control the welding current I and the wire feeding speed S described above for each welding period T, and short-circuit welding progresses.
  • the short-circuit welding is completed and a weld bead of a predetermined length is formed on the workpiece 17.
  • the arc welding method according to the present embodiment is short-circuit welding in which forward feeding and reverse feeding of the welding wire 18 to the workpiece 17 are alternately repeated.
  • the workpiece 17 and the welding wire 18 are each made of a magnesium-based material, that is, magnesium or a magnesium alloy.
  • the welding wire 18 When forward feeding the welding wire 18, the welding wire 18 is fed toward the workpiece 17 so that the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited.
  • the welding wire 18 When the welding wire 18 is fed in the reverse direction, the welding wire 18 is fed in the opposite direction to the direction when the welding wire 18 is fed forward so that the short circuit between the welding wire 18 and the workpiece 17 is broken.
  • the arc welding method according to the present embodiment includes at least the following first to third steps.
  • the welding current I flowing through the welding wire 18 is increased to a first value IA (first step).
  • the welding current I After the welding current I reaches the first value IA , the welding current I is lowered, and before the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited, the welding current I is reduced to a third value lower than the first value IA . ( second step).
  • the welding current I is controlled to maintain the third value I C from the time the welding current I reaches the third value I C until the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited (third step).
  • short circuiting between the welding wire 18 and the workpiece 17 can be promoted, especially by providing the third step. This can suppress excessive growth of the droplet formed at the tip of the welding wire 18. As a result, it is possible to suppress the occurrence of spatter caused by droplets scattering during welding. This will be explained further.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the average current and the current immediately before a short circuit according to the embodiment. Furthermore, for comparison, FIGS. 5 to 8 show the relationship between the average current IS and various parameters in short-circuit welding when the workpiece 17 is made of an aluminum alloy.
  • the current I C (third value I C ) immediately before a short circuit that is, the current value of the welding current I flowing through the welding wire 18 immediately before a short circuit increases monotonically as the average current I S increases. It is set as follows. This is the same whether the material of the workpiece 17 is an aluminum-based material or a magnesium-based material.
  • the absolute value of the current I C immediately before short circuit is set to be smaller when the workpiece 17 is made of a magnesium-based material than when it is made of an aluminum-based material.
  • the average current I S is in the range of 50 A to 200 A, that is, 50 A or more and 200 A or less
  • the current just before short circuit I C is in the range of 20 A to 80 A, that is, 20 A or more and 80 A or less. It is.
  • the mass of droplets formed at the tip of the welding wire 18 is also lighter in magnesium-based materials.
  • the welding current I increases while the arc 19 is generated, the arc reaction force applied to the droplet also increases, making it difficult for a short circuit between the welding wire 18 and the workpiece 17 to occur. For this reason, there was a problem in that the droplets grew excessively and spatter etc. were likely to occur.
  • the welding speed can be improved compared to TIG welding as shown in Patent Document 1.
  • the process time in the welding process for magnesium-based materials can be shortened, and productivity can be improved.
  • the current just before short circuit I C is set too low, other problems may occur. For example, if the setting range of the current just before short circuit I C is set too low than the above-mentioned range, the temperature of the molten pool (not shown) formed in the workpiece 17 will become low. As a result, blowholes are likely to occur inside the workpiece 17. Alternatively, the bulge of the weld bead becomes higher than desired.
  • the current just before short circuit I C is preferably in the range of 20A to 80A.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between average current and normal feed speed according to the embodiment.
  • the forward feed rate S F is also set to increase monotonically as the average current I S increases. This is the same whether the material of the workpiece 17 is an aluminum-based material or a magnesium-based material.
  • the forward feed speed SF is set to be higher when the material of the workpiece 17 is a magnesium-based material than when it is an aluminum-based material.
  • the forward feed speed S F is in the range of 30 m/min to 70 m/min, that is, 30 m/min or more, 70 m/min or more. It is less than or equal to min.
  • the welding wire 18 can be forcibly brought closer to the workpiece 17, thereby promoting short circuiting between the two. This makes it possible to suppress excessive growth of droplets and further suppress the occurrence of spatter.
  • the forward feed speed SF is set too high, the above-mentioned problems may occur. In other words, there is a possibility that blowholes are likely to occur inside the workpiece 17. Alternatively, the weld bead may rise higher than desired.
  • the forward feed speed S F is preferably in the range of 30 m/min to 70 m/min.
  • the reverse feeding speed S R when the forward feeding speed S F is set high as shown in this embodiment, the reverse feeding speed S R must also be made high. If only the forward feed speed S F is set to a high value and the reverse feed speed S R is set to a low value, the weld bead tends to swell excessively. For this reason, in the case of a magnesium-based material than in the case of an aluminum-based material, as the forward feed rate S F is set higher, the reverse feed rate S R is also set higher.
  • both the forward feed amount and reverse feed amount of the welding wire 18 during short circuit welding are The amount increases in this embodiment, that is, in the case of a magnesium-based material, than in the case of a magnesium-based material.
  • the welding current I immediately after the short circuit between the welding wire 18 and the workpiece 17 is opened, the welding current I becomes a fourth value ID lower than the first value IA . , and the welding current I is controlled to maintain the fourth value ID for the first period T1 (fourth step). Note that after execution of the fourth step, the process shifts to the first step described above, and short circuit welding progresses in sequence.
  • the first period T1 (low current continuation period T1 after short-circuit opening) is a period in which the distance L between the welding wire 18 and the workpiece 17 reaches a predetermined value after the short-circuit between the welding wire 18 and the workpiece 17 is opened. This is the period until reaching the target.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the average current and the low current duration period after the short circuit is opened according to the embodiment.
  • the low current continuation period T1 after the short circuit is opened is set to decrease as the average current IS increases. This is the same whether the material of the workpiece 17 is an aluminum-based material or a magnesium-based material.
  • the low current continuation period T1 after the short circuit is opened is set to be longer when the workpiece 17 is made of a magnesium-based material than when it is made of an aluminum-based material.
  • the low current continuation period T1 (first period T1) after the short circuit is opened is in the range of 4000 ⁇ sec to 1000 ⁇ sec.
  • the low current duration T1 after the short circuit is opened is 4000 ⁇ sec, and as the average current IS increases, the low current duration T1 after the short circuit is opened decreases, and the average current IS
  • the low current continuation period T1 after the short circuit is opened is 1000 ⁇ sec.
  • the mass of the droplet formed at the tip of the welding wire 18 is lighter than in the case of aluminum-based materials.
  • the arc reaction force applied to the droplet will also increase rapidly, and there is a risk that the droplet will be blown away by the arc reaction force. When this happens, a large amount of spatter is generated, resulting in defective welding.
  • the current value of the welding current I is set to a low value (fourth value I D ), and the low value is maintained for a certain period (first period T1).
  • the output control unit 10 controls the welding current I so that. By doing so, first, the arc reaction force generated between the welding wire 18 and the workpiece 17 can be reduced. Further, in the middle or at the end of the first period T1, the operation of the welding wire 18 is switched from reverse feeding to forward feeding, and the distance L between the welding wire 18 and the workpiece 17 is changed after the first period T1 has elapsed. , almost the maximum value.
  • the process moves to the first step, and the current value of the welding current I increases to the first value IA . That is, since the welding current I is increased while the distance L is sufficiently secured, a droplet of an appropriate size can be formed at the tip of the welding wire 18. Furthermore, the increase in the arc reaction force applied to the droplets is suppressed, and the scattering of the droplets and the occurrence of spatter can be suppressed.
  • the maximum value is about 4 mm, but it can be changed as appropriate depending on the wire diameter of the welding wire 18, the reverse feed speed SR , the inertia of the robot holding the torch, etc. Further, the distance L does not necessarily have to reach the maximum value after the first period T1 has elapsed. Even if the welding current I is increased to the first value IA , it is sufficient to ensure a distance that does not cause droplets to scatter.
  • the fourth value ID is such that the tip of the welding wire 18, which is attached to the molten pool formed on the workpiece 17, becomes thinner immediately before the short circuit between the welding wire 18 and the workpiece 17 is released. , corresponds to the current value when the so-called constriction phenomenon occurs.
  • the output control unit 10 sets the fourth value ID .
  • the welding current I is controlled so that (fifth step).
  • the amount of heat applied to the welding wire 18 corresponds to a power integrated value obtained by integrating the power supplied to the welding wire 18 within a predetermined period after the welding wire 18 and the workpiece 17 are short-circuited.
  • the electric power supplied to the welding wire 18 is calculated based on the product of the welding voltage V applied between the welding wire 18 and the workpiece 17 and the welding current I.
  • the output control section 10 controls the welding current I to reach the fourth value ID .
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between average current and power integration threshold according to the embodiment.
  • the power integration threshold P TH is set to increase monotonically as the average current IS increases. This is the same whether the material of the workpiece 17 is an aluminum-based material or a magnesium-based material.
  • the power integration threshold PTH is set to be lower when the material of the workpiece 17 is a magnesium-based material than when it is an aluminum-based material.
  • the power integration threshold P TH is in the range of 4 kW to 8 kW. That is, when the average current IS is 50 A or more and 200 A, the power integration threshold P TH is 4 kW or more and 8 kW or less.
  • the electrical resistivity of magnesium (about 4.3 ⁇ cm at room temperature) is lower than that of iron (about 10.4 ⁇ cm at room temperature in the case of pure iron), and that of aluminum (about 2.8 ⁇ cm at room temperature). ) close to.
  • the welding current I is changed to the fourth value ID. Control so that In this way, by lowering the welding current I before opening the short circuit and reducing the amount of heat input to the welding wire 18, it is possible to suppress the occurrence of spatter when the short circuit is opened. Further, since the welding current I is reduced before the short circuit is opened without detecting the occurrence of a constriction, it is possible to avoid problems caused by erroneously determining the presence or absence of a constriction.
  • the integrated power value can be calculated excluding the period when the short circuit is not stable.
  • the calculation of the integrated power value may be started after the welding current I starts to rise after the welding wire 18 is short-circuited. By doing so, even if there is a change in the welding voltage V, an appropriate amount of heat can be applied to the welding wire 18.
  • a pulse welding period may be provided before or after the short-circuit welding period (k times the welding period T (k is an integer of 1 or more)).
  • the welding wire 18 is fed toward the workpiece 17 at a predetermined wire feeding speed S, and a peak current and a base current are alternately passed through the welding wire 18, so that the workpiece 17 and the welding wire 18 are Welding is performed by generating an arc 19 between the two.
  • a cooling period may be provided between the pulse welding period and the short-circuit welding period in which the amount of heat input to the workpiece 17 is reduced to zero.
  • the amount of heat input to the workpiece 17 can be controlled over a wide range, and the shape of the weld bead can be further improved. Can be precisely controlled.
  • the arc welding method of the present disclosure is useful in short-circuit welding of magnesium-based materials because it can improve welding speed and suppress the occurrence of spatter.
  • Input power supply 2 Main transformer (transformer) 3 Primary side rectifier section 4 Switching section 5 DCL (reactor) 6 Secondary side rectifier 7 Welding current detection section 8 Welding voltage detection section 9 Control switching section 10 Output control section 11 Short circuit welding control section 12 Pulse welding control section 13 Wire feeding speed control section 14 Wire feeding speed detection section 15 Calculation Section 16 Arc welding device 17 Workpiece 18 Welding wire 19 Arc 20 Welding tip 21 Wire feeding section 22 Welding condition setting section 23 Short circuit welding setting section 24 Pulse welding setting section

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Abstract

本開示のアーク溶接方法は、ワーク１７に対して溶接ワイヤ１８の正送と逆送とを交互に繰り返す短絡溶接であり、第１～第３ステップを少なくとも備える。ワーク１７及び溶接ワイヤ１８の材質は、それぞれ、マグネシウムまたはマグネシウム合金である。第１ステップでは、短絡開放後に、溶接電流Ｉを第１の値ＩＡまで増加させる。第２ステップでは、溶接電流Ｉを第１の値ＩＡに到達した後に低下させ、短絡前に、溶接電流Ｉを第１の値ＩＡよりも低い第３の値ＩＣにする。第３ステップでは、第３の値ＩＣに到達後、短絡開始まで、溶接電流Ｉが第３の値ＩＣを維持するようにする。

Description

アーク溶接方法
　本開示はアーク溶接方法、特にマグネシウム系材料のアーク溶接方法に関する。
　近年、アルミニウムより軽量であることから、車両等の構成部材として、マグネシウムまたはマグネシウム合金（以下、マグネシウム系材料と呼ぶことがある。）が用いられてきている。
　一方で、マグネシウム系材料は、室温でアルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、アルミニウム系材料と呼ぶことがある。）に比べて変形しにくく、種々の形状の部材を得るには、溶接を用いた部材加工が必要になってくる。
　例えば、特許文献１には、溶接電源として交流電源を用いたマグネシウム系材料のＴＩＧ溶接方法が提案されている。この方法では、不活性ガスと酸化性ガスとからなるシールドガスを、タングステン電極を覆うように被溶接物であるワークに向けて流すことで、深い溶込み深さが得られるようにしている。
特開２０１６－０３６８５５号公報
　ところで、マグネシウム系材料の溶接においても、生産性の向上、言い換えると、溶接速度の向上が求められている。溶接速度を向上させるには、非消耗電極式のＴＩＧ溶接よりも、溶接ワイヤ等の消耗式電極を用いた溶接が有利である。
　しかし、マグネシウム系材料は、アルミニウム系材料に比べて軽いため、アーク反力が高いと、短絡が起こりにくく、溶滴が過度に成長し、スパッタ等が発生しやすくなるという課題があった。
　本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、溶接速度の向上が図れ、かつ、スパッタ等の発生を抑制可能なマグネシウム系材料のアーク溶接方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本開示に係るアーク溶接方法は、ワークに対して溶接ワイヤの正送と逆送とを交互に繰り返す短絡溶接を少なくとも行うアーク溶接方法であって、前記ワーク及び前記溶接ワイヤの材質は、マグネシウムまたはマグネシウム合金であり、前記溶接ワイヤの正送時には、前記溶接ワイヤと前記ワークとが短絡するように、前記溶接ワイヤを前記ワークに向けて送給し、前記溶接ワイヤの逆送時には、前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡が開放されるように、前記溶接ワイヤを前記溶接ワイヤの正送時とは逆方向に送給し、前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡が開放した後に、前記溶接ワイヤに流れる溶接電流を第１の値まで増加させる第１ステップと、前記溶接電流が前記第１の値に到達した後に、前記溶接電流を低下させ、さらに、前記溶接ワイヤと前記ワークとが短絡する前に、前記溶接ワイヤに流れる溶接電流を前記第１の値よりも低い第３の値に低下させる第２ステップと、前記溶接電流が前記第３の値に達してから前記溶接ワイヤと前記ワークとが短絡するまで、前記第３の値を維持するように前記溶接電流を制御する第３ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
　本開示によれば、ＴＩＧ溶接に比べて、溶接速度の向上が図れる。また、溶滴の過度の成長等を抑制できるため、スパッタ等の溶接欠陥の発生を抑制できる。
図１は、実施形態に係るアーク溶接装置の概略構成図である。 図２は、短絡溶接時の溶接電流及び溶接電圧の出力波形とワイヤ送給速度の変化とを示す図である。 図３は、短絡溶接時の溶接電流及び溶接電圧の出力波形と溶接ワイヤの先端とワークとの間の距離の時間変化とを示す図である。 図４は、短絡溶接時の溶接電流の波形の拡大図である。 図５は、実施形態に係る平均電流と短絡直前電流との関係を示す図である。 図６は、実施形態に係る平均電流と正送送給速度との関係を示す図である。 図７は、実施形態に係る平均電流と短絡開放後の低電流継続期間との関係を示す図である。 図８は、実施形態に係る平均電流と電力積算閾値との関係を示す図である。
　以下、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
　（実施形態）
　［アーク溶接装置の構成］
　図１は、本実施形態に係るアーク溶接装置の概略構成図である。アーク溶接装置１６は、消耗電極である溶接ワイヤ１８と被溶接物であるワーク１７との間で、アーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行う。なお、溶接ワイヤ１８は、図示しないトーチに保持されており、トーチが所定の速度で移動することで、溶接ワイヤ１８の先端も同様に、同じ速度で所定の溶接区間に沿って移動する。
　アーク溶接装置１６は、主変圧器２と、一次側整流部３と、スイッチング部４と、ＤＣＬ（リアクトル）５と、二次側整流部６と、溶接電流検出部７と、溶接電圧検出部８と、制御切替部９と、出力制御部１０と、ワイヤ送給速度制御部１３を有している。また、アーク溶接装置１６は、トーチ（図示せず）を保持するロボット（図示せず）の動作を制御するロボット制御部（図示せず）を有している。
　なお、制御切替部９と、出力制御部１０と、ワイヤ送給速度制御部１３とは、いずれも１または複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。あるいは、制御切替部９と、出力制御部１０と、ワイヤ送給速度制御部１３とは、いずれも１または複数のＭＣＵ（Micro Control Unit）で構成される。制御切替部９と、出力制御部１０と、ワイヤ送給速度制御部１３とが同じＣＰＵまたはＭＣＵで構成されてもよい。
　出力制御部１０は、短絡溶接制御部１１とパルス溶接制御部１２を有している。ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度検出部１４と、演算部１５とを有している。一次側整流部３は、アーク溶接装置１６の外部にある入力電源（三相交流電源）１から入力した入力電圧を整流する。スイッチング部４は、一次側整流部３の出力を溶接に適した出力に制御する。主変圧器２は、スイッチング部４の出力を溶接に適した出力に変換する。
　二次側整流部６は、主変圧器２の出力を整流する。ＤＣＬ（リアクトル）５は、二次側整流部６の出力を溶接に適した電流に平滑する。溶接電流検出部７は、溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉを検出する。溶接電圧検出部８は、溶接ワイヤ１８とワーク１７との間に加わる溶接電圧Ｖを検出する。
　制御切替部９は、短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替えるタイミングを出力制御部１０に出力する切替部である。制御切替部９は計時機能を有しており、溶接条件設定部２２により設定された所定時間を計時して、制御を切り替えるタイミングを出力制御部１０とワイヤ送給速度制御部１３に出力する。
　出力制御部１０は、スイッチング部４に制御信号を出力して溶接出力を制御する。短絡溶接制御部１１は、制御切替部９が短絡溶接を指令した場合に短絡溶接の制御を行う。パルス溶接制御部１２は、制御切替部９がパルス溶接を指令した場合に、パルス溶接の制御を行う。
　出力制御部１０は、平均電流ＩＳとなるように、溶接電流Ｉを制御する。なお、平均電流ＩＳは、溶接電流Ｉの所定の期間における移動平均値である。また、出力制御部１０は、所定の期間内に溶接ワイヤ１８に供給された電力を積算して電力積算値を算出する算出部（図示せず）を有している。算出部は、溶接ワイヤ１８に供給される電力を溶接電流と溶接電圧との積に基づいて算出する。
　ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給部２１を制御して溶接ワイヤ１８の送給速度Ｓ（以下、ワイヤ送給速度Ｓと言う。）を制御する。ワイヤ送給速度検出部１４は、ワイヤ送給速度Ｓを検出する。演算部１５は、ワイヤ送給速度検出部１４からの信号に基づいて、溶接ワイヤ１８の送給量の積算量を演算し、ワイヤ送給速度Ｓを制御する。具体的には、ワイヤ送給速度Ｓの指令値と検出値とを比較して差分を求め、当該差分の積算量に基づいて、実際のワイヤ送給速度Ｓを指令値にあわせるようにフィードバック制御を行う。
　アーク溶接装置１６には、ワイヤ送給部２１と、溶接条件設定部２２が接続されている。溶接条件設定部２２は、アーク溶接装置１６に溶接条件を設定するために用いられる。また、溶接条件設定部２２は、短絡溶接設定部２３とパルス溶接設定部２４とを有する。ワイヤ送給部２１は、ワイヤ送給速度制御部１３からの信号に基づいて、溶接ワイヤ１８の送給の制御を行う。なお、短絡溶接やパルス溶接時の溶接出力制御手順や溶接ワイヤ１８の送給手順等が記述された溶接プログラム等は図示しない記憶部に保存される。
　アーク溶接装置１６の溶接出力は、図示しないトーチＳＷ（スイッチ）がＯＮになると溶接チップ２０を介して溶接ワイヤ１８に供給される。そして、アーク溶接装置１６の溶接出力により、溶接ワイヤ１８とワーク１７との間にアーク１９を発生させて溶接を行う。
　［アーク溶接方法］
　図２は、短絡溶接時の溶接電流及び溶接電圧の出力波形とワイヤ送給速度の変化とを示す図である。図３は、短絡溶接時の溶接電流及び溶接電圧の出力波形と溶接ワイヤの先端とワークとの間の距離の時間変化とを示す図である。図４は、短絡溶接時の溶接電流の波形の拡大図である。
　なお、本実施形態において、溶接ワイヤ１８の材質をマグネシウム合金（ＡＺ６１）、ワイヤ径を１．２ｍｍとし、ワーク１７の材質をマグネシウム合金（ＡＺ３１）としている。なお、溶接ワイヤ１８及びワーク１７ともに、他の組成のマグネシウム合金であってもよいし、マグネシウム自体であってもよい。また、ワークに吹き付けられるシールドガスは、Ａｒ（アルゴン）ガスであり、その流量を２０Ｌ／ｍｉｎに設定している。ただし、シールドガスの流量は特にこれに限定されない。
　また、ワーク１７の板厚に応じて、平均電流ＩＳは別途調整される。板厚が薄ければ、平均電流ＩＳは低い値に設定され、板厚が厚ければ、平均電流ＩＳは高い値に設定される。例えば、板厚が１ｍｍ程度であれば、平均電流ＩＳは４０Ａ程度に設定され、３ｍｍ程度であれば、平均電流ＩＳは８０Ａ程度に設定される。板厚が６ｍｍ程度であれば、平均電流ＩＳは１４０Ａ以上となるように設定される。
　前述したように、溶接ワイヤ１８に溶接出力が供給され、トーチ（図示せず）の移動とともに、溶接ワイヤ１８の先端が所定の溶接区間に沿って移動することで、ワーク１７への短絡溶接が行われる。図２，３に示すように、本実施形態に示す短絡溶接では、アーク期間ＴＡＲＣとこれに続く短絡期間ＴＳとを含む溶接期間Ｔを基本単位とし、必要に応じた回数分、溶接期間Ｔに含まれる処理が実行される。アーク期間ＴＡＲＣでは、ワーク１７と溶接ワイヤ１８との間にアーク１９が発生している。短絡期間ＴＳＨＯＲＴはでは、ワーク１７と溶接ワイヤ１８とが短絡している。
　本実施形態では、溶接期間Ｔが１２０ｍｓｅｃ程度になるように設定している。ただし、溶接期間Ｔ、アーク期間ＴＡＲＣ及び短絡期間ＴＳＨＯＲＴは、必ずしも一定ではなく、溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡するタイミングの変動に応じて、それぞれ変動しうる。
　図２に示すように、ワイヤ送給速度Ｓは、溶接期間Ｔを周期として周期的に変化している。ワイヤ送給速度Ｓが正（図２では、Ｓ＝０の線より上側）の場合は、溶接ワイヤ１８は、ワーク１７に向けて近づくように送給される、つまり、正送動作が行われる。この場合のワイヤ送給速度Ｓを正送送給速度ＳＦと呼ぶことがある。ワイヤ送給速度Ｓが負（図２では、Ｓ＝０の線より下側）の場合は、溶接ワイヤ１８は、ワーク１７から離れるように送給される、つまり、逆送動作が行われる。この場合のワイヤ送給速度Ｓを逆送送給速度ＳＲと呼ぶことがある。なお、ワイヤ送給速度Ｓの波形、すなわち、振幅や時間に対する傾き等の形状は、前述した平均電流ＩＳ毎に予め決められている。さらに言うと、ワイヤ送給速度Ｓの波形は、溶接電流Ｉの出力波形とも連動して変化している。
　図２～４に示すように、時刻ｔｎ１～ｔｎ３までの期間が、アーク期間ＴＡＲＣであり、時刻ｔｎ３～ｔ（ｎ＋１）１までの期間が、短絡期間ＴＳＨＯＲＴである。なお、ｎは１以上の整数で、１≦ｎ≦ｍであり、ｍは、短絡溶接時の溶接期間Ｔの繰り返し回数である。
　時刻ｔｎ１を始点として、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖ、ワイヤ送給速度Ｓ及び溶接ワイヤ１８とワーク１７との間の距離Ｌ（以下、単に距離Ｌと呼ぶ。）の時間変化を以下に説明する。
　まず、アーク期間ＴＡＲＣの開始時点である時刻ｔｎ１では、ワイヤ送給速度Ｓは負であり、溶接ワイヤ１８は逆送中である。時刻ｔｎ１を過ぎると、ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度Ｓがゼロに近づくように制御する。つまり、溶接ワイヤ１８の動作は、逆送から正送に向かって変化する。また、時刻ｔｎ１を過ぎると、溶接電圧Ｖはゼロから正の値に変化する。つまり、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が開放され始め、距離Ｌがゼロから正の値に変化し始める。
　一方、出力制御部１０は、時刻ｔｎ１から期間Ｔ１（図４参照）を経過するまで、溶接電流Ｉの電流値をＩＤとなるように制御する。なお、以降の説明において、期間Ｔ１を第１の期間Ｔ１、または、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１と呼び、電流値ＩＤを第４の値ＩＤと呼ぶことがある。
　時刻ｔｎ１から期間Ｔ１を経過した時点では、溶接ワイヤ１８は正送動作に入っている。期間Ｔ１を経過してから、出力制御部１０は、溶接電流Ｉを電流値ＩＡになるまで大幅に増加させる。第４の値ＩＤは電流値ＩＡの２５％～４０％程度である。なお、以降の説明において、電流値ＩＡを第１の値ＩＡと呼ぶことがある。また、溶接電流Ｉが第１の値ＩＡに達した時点、つまり、時刻ｔｎ２では、距離Ｌは最大値、この場合は４ｍｍ程度となっている。また、図示しないが、時刻ｔｎ２では、溶接ワイヤ１８の先端には所定の大きさの溶滴が形成されている。
　時刻ｔｎ２を経過した後、ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度Ｓを低下させる。また、出力制御部１０は、溶接電流Ｉを電流値ＩＢ（ＩＢ＜ＩＡ）になるように制御する。なお、溶接電流Ｉの電流値をＩＢにするのは、溶接によりワーク１７に形成される溶接ビード（図示せず）への入熱調整のためである。調整すべき入熱量等に応じて、電流値ＩＢやこの値を維持する時間等は適宜変更されうる。
　溶接電流Ｉが電流値ＩＢに達し、さらに時間が経過した後、溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡する前に、出力制御部１０は、溶接電流Ｉを電流値ＩＣになるように制御する。また、溶接電流Ｉが電流値ＩＣに達してから溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡するまで、出力制御部１０は、電流値ＩＣを維持するように溶接電流Ｉを制御する。
　なお、以降の説明において、溶接電流Ｉの電流値がＩＣで維持される期間Ｔ２（図４参照）を第２の期間Ｔ２と呼び、電流値ＩＣを第３の値ＩＣ、または短絡直前電流ＩＣと呼ぶことがある。第３の値ＩＣは第１の値ＩＡの３０％～４０％程度である。また、本実施形態において、第３の値ＩＣは第４の値ＩＤよりも高くなるように設定されている。ただし、特にこれに限定されず、第３の値ＩＣが第４の値ＩＤ以下であってもよい。
　溶接電流Ｉの電流値がＩＣになることで、溶接ワイヤ１８とワーク１７との間に発生しているアーク１９は急激に小さくなり、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴に加わるアーク反力も急激に小さくなる。
　溶接電流Ｉの電流値がＩＣに達してから期間Ｔ２が経過すると、時刻ｔｎ３で溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡し、短絡期間ＴＳＨＯＲＴがスタートする。
　溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡後に、溶接ワイヤ１８に加わる熱量が所定の閾値に達すると、出力制御部１０は、第４の値ＩＤとなるように溶接電流Ｉを制御する。次の溶接期間Ｔの開始時点である時刻ｔ（ｎ＋１）で、溶接電流Ｉが第４の値ＩＤになり、短絡溶接が順次進行する。
　なお、溶接ワイヤ１８に加わる熱量は、前述した電力積算値に対応している。したがって、実際の制御では、電力積算値が所定の閾値ＰＴＨに達すると、出力制御部１０は、第４の値ＩＤとなるように溶接電流Ｉを制御する。なお以降の説明において、閾値ＰＴＨを電力積算閾値ＰＴＨと呼ぶことがある。
　以降は、出力制御部１０及びワイヤ送給速度制御部１３により、前述した溶接電流Ｉ及びワイヤ送給速度Ｓの制御が溶接期間Ｔ毎にそれぞれ行われ、短絡溶接が進行する。溶接線に沿って所定の長さだけ短絡溶接が行われると、短絡溶接が完了し、ワーク１７に所定の長さの溶接ビードが形成される。
　［効果等］
　以上説明したように、本実施形態に係るアーク溶接方法は、ワーク１７に対して溶接ワイヤ１８の正送と逆送とを交互に繰り返す短絡溶接である。ワーク１７及び溶接ワイヤ１８の材質は、それぞれ、マグネシウム系材料、つまり、マグネシウムまたはマグネシウム合金である。
　溶接ワイヤ１８の正送時には、溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡するように、溶接ワイヤ１８をワーク１７に向けて送給する。
　溶接ワイヤ１８の逆送時には、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が開放されるように、溶接ワイヤ１８を溶接ワイヤ１８の正送時とは逆方向に送給する。
　また、本実施形態に係るアーク溶接方法は、以下の第１～第３ステップを少なくとも備える。
　溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が開放した後に、溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉを第１の値ＩＡまで増加させる（第１ステップ）。
　溶接電流Ｉが第１の値ＩＡに到達した後に、溶接電流Ｉを低下させ、溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡する前に、溶接電流Ｉを第１の値ＩＡよりも低い第３の値ＩＣに低下させる（第２ステップ）。
　溶接電流Ｉが第３の値ＩＣに達してから溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡するまで、第３の値ＩＣを維持するように溶接電流Ｉを制御する（第３ステップ）。
　本実施形態によれば、特に第３ステップを設けることにより、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡を促進できる。このことにより、溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴が過度に成長するのを抑制できる。その結果、溶接中に溶滴が飛び散ってスパッタが発生するのを抑制できる。このことについてさらに説明する。
　図５は、実施形態に係る平均電流と短絡直前電流との関係を示す図である。また、図５～８において、比較のために、ワーク１７をアルミニウム合金とした場合の短絡溶接における平均電流ＩＳと各種パラメータとの関係を示している。
　図５に示すように、短絡直前電流ＩＣ（第３の値ＩＣ）、つまり、短絡直前に溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉの電流値は、平均電流ＩＳの増加につれて単調に増加するように設定している。これは、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合もマグネシウム系材料の場合も同じである。
　一方、短絡直前電流ＩＣの絶対値は、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合よりもマグネシウム系材料の場合で小さくなるように設定している。図５に示す例では、平均電流ＩＳが、５０Ａ～２００Ａの範囲、つまり、５０Ａ以上、２００Ａ以下である場合、短絡直前電流ＩＣは、２０Ａ～８０Ａの範囲、つまり、２０Ａ以上、８０Ａ以下である。
　前述したように、マグネシウム系材料は、アルミニウム系材料に比べて軽いため、溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴の質量も、マグネシウム系材料の方が軽くなる。アーク１９が発生している状態で、溶接電流Ｉが高くなると、溶滴に加わるアーク反力も大きくなり、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が起こりにくくなる。このため、溶滴が過度に成長し、スパッタ等が発生しやすくなるという課題があった。
　一方、マグネシウム系材料の短絡溶接を行うにあたって、本実施形態に示すように、短絡直前電流ＩＣを低く設定することで、アーク反力を低下させて、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡を促進することができる。このことにより、溶滴が過度に成長するのを抑制でき、さらに、スパッタの発生を抑制できる。
　また、スパッタ等の発生が抑制できるため、溶接不良を低減して溶接工程の歩留まり低下を抑制できる。また、溶接品質を高く維持できる。
　また、本実施形態によれば、特許文献１に示すようなＴＩＧ溶接に比べて溶接速度を向上させることができる。このことにより、マグネシウム系材料の溶接工程における工程時間を短くでき、生産性を向上できる。
　なお、短絡直前電流ＩＣを過度に低く設定すると、別の不具合を生じるおそれがある。例えば、短絡直前電流ＩＣの設定範囲を前述した範囲よりも低くしすぎると、ワーク１７に形成された溶融池（図示せず）の温度が低くなってしまう。その結果、ワーク１７の内部にブローホールが発生しやすくなってしまう。あるいは、溶接ビードの盛り上がりが、所望以上に高くなってしまう。
　したがって、前述したように、平均電流ＩＳが、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、短絡直前電流ＩＣは、２０Ａ～８０Ａの範囲であることが好ましい。
　また、正送送給速度ＳＦを適切に設定することで、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡を促進することもできる。
　図６は、実施形態に係る平均電流と正送送給速度との関係を示す図である。
　図６に示すように、正送送給速度ＳＦも、平均電流ＩＳの増加につれて単調に増加するように設定している。これは、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合もマグネシウム系材料の場合も同じである。
　一方、正送送給速度ＳＦは、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合よりもマグネシウム系材料の場合で高くなるように設定している。図６に示す例では、平均電流ＩＳが、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、正送送給速度ＳＦは、３０ｍ／ｍｉｎ～７０ｍ／ｍｉｎの範囲、つまり、３０ｍ／ｍｉｎ以上、７０ｍ／ｍｉｎ以下である。
　本実施形態に示すように、正送送給速度ＳＦを高く設定することで、溶接ワイヤ１８を強制的にワーク１７に近づけ、両者の短絡を促進することができる。このことにより、溶滴が過度に成長するのを抑制でき、さらに、スパッタの発生を抑制できる。
　なお、正送送給速度ＳＦを過度に高く設定すると、前述した不具合が生じるおそれがある。つまり、ワーク１７の内部にブローホールが発生しやすくなってしまうおそれがある。あるいは、溶接ビードの盛り上がりが、所望以上に高くなってしまうおそれがある。
　したがって、前述したように、平均電流ＩＳが、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、正送送給速度ＳＦは、３０ｍ／ｍｉｎ～７０ｍ／ｍｉｎの範囲であることが好ましい。
　なお、正送送給速度ＳＦを本実施形態に示すように高く設定した場合、逆送送給速度ＳＲも高くする必要がある。正送送給速度ＳＦだけを高い値とし、逆送送給速度ＳＲを低い値に設定すると、溶接ビードが過剰に盛り上がってしまう傾向がある。このため、アルミニウム系材料の場合よりもマグネシウム系材料の場合で、正送送給速度ＳＦを高く設定するのに応じて、逆送送給速度ＳＲも高く設定する。
　また、正送送給速度ＳＦと逆送送給速度ＳＲとをいずれも高い値に設定することで、短絡溶接中の溶接ワイヤ１８の正送量と逆送量のいずれも、アルミニウム系材料の場合よりも、本実施形態、つまり、マグネシウム系材料の場合で多くなる。
　また、本実施形態に係るアーク溶接方法は、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が開放した直後から、溶接電流Ｉが第１の値ＩＡよりも低い第４の値ＩＤとなるように、かつ、第１の期間Ｔ１、第４の値ＩＤを維持するように前記溶接電流Ｉを制御する（第４ステップ）。なお、第４ステップの実行後に前述の第１ステップに移行し、短絡溶接が順次進行する。
　また、第１の期間Ｔ１（短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１）は、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が開放してから溶接ワイヤ１８とワーク１７との間の距離Ｌが所定値に達するまでの期間である。
　本実施形態では、第４ステップを設け、かつ、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１を長くなるように設定することで、溶滴の飛び散りを抑制して、スパッタ等の発生を抑制できる。以下、このことについてさらに説明する。
　図７は、実施形態に係る平均電流と短絡開放後の低電流継続期間との関係を示す図である。
　図７に示すように、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１は、平均電流ＩＳが増加するにつれて減少するように設定している。これは、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合もマグネシウム系材料の場合も同じである。
　なお、図７に示す例では、両方の場合において、平均電流ＩＳが１５０Ａを超えた領域では、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１の減少量は小さくなり、最終的に一定値に収束する傾向が見られる。
　一方、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１は、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合よりもマグネシウム系材料の場合で長くなるように設定している。図７に示す例では、平均電流ＩＳが、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１（第１の期間Ｔ１）は、４０００μｓｅｃ～１０００μｓｅｃの範囲である。つまり、平均電流ＩＳが５０Ａの場合、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１は、４０００μｓｅｃであり、平均電流ＩＳの増加につれて短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１が減少し、平均電流ＩＳが２００Ａの場合、短絡開放後の低電流継続期間Ｔ１が、１０００μｓｅｃとなる。
　前述したように、マグネシウム系材料の短絡溶接では、溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴の質量は、アルミニウム系材料の場合に比べて軽くなる。この場合、短絡開放直後に溶接電流Ｉを急激に高くすると、それに応じて溶滴が受けるアーク反力も急激に増加し、アーク反力によって溶滴が吹き飛んでしまうおそれがある。このようなことが起こると、大量のスパッタが発生して溶接不良となってしまう。
　そこで、本実施形態に示すように、短絡開放後は、溶接電流Ｉの電流値を低い値（第４の値ＩＤ）にするとともに、当該低い値を一定期間（第１の期間Ｔ１）維持するように、出力制御部１０が溶接電流Ｉを制御する。このようにすることで、まず、溶接ワイヤ１８とワーク１７との間に生じるアーク反力を小さくできる。また、第１の期間Ｔ１の途中または終了時点で、溶接ワイヤ１８の動作が逆送から正送に切り替わり、溶接ワイヤ１８とワーク１７との間の距離Ｌは、第１の期間Ｔ１を経過すると、ほぼ最大値となる。距離Ｌが十分に長くなった状態で第１ステップに移行し、溶接電流Ｉの電流値が第１の値ＩＡまで増加する。つまり、距離Ｌが十分に確保された状態で、溶接電流Ｉを高くするため、溶接ワイヤ１８の先端に適度な大きさの溶滴を形成できる。さらに、溶滴が受けるアーク反力の増加が抑えられ、溶滴の飛び散り、ひいてはスパッタ等の発生を抑制できる。
　なお、本実施形態では、当該最大値は４ｍｍ程度であるが、溶接ワイヤ１８のワイヤ径や逆送送給速度ＳＲやトーチを保持するロボットの慣性等に応じて適宜変更されうる。また、第１の期間Ｔ１の経過後に、距離Ｌは必ずしも最大値になっていなくてもよい。溶接電流Ｉを第１の値ＩＡまで高めても、溶滴の飛び散りが発生しない程度の距離が確保できればよい。
　また、第４の値ＩＤは、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡が開放される直前に、溶接ワイヤ１８の先端であって、ワーク１７に形成された溶融池に付着した部分が細くなる、いわゆるくびれ現象が発生するときの電流値に相当する。
　また、本実施形態に係るアーク溶接方法は、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡後に、溶接ワイヤ１８に加わる熱量が所定の閾値に達すると、出力制御部１０は、第４の値ＩＤとなるように溶接電流Ｉを制御する（第５ステップ）。
　溶接ワイヤ１８に加わる熱量は、溶接ワイヤ１８とワーク１７との短絡後の所定の期間内に、溶接ワイヤ１８に供給された電力を積算して得られる電力積算値に対応している。
　溶接ワイヤ１８に供給される電力は、溶接ワイヤ１８とワーク１７との間に加わる溶接電圧Ｖと溶接電流Ｉとの積に基づいて算出される。
　第５ステップにおいて、電力積算値が所定の電力積算閾値ＰＴＨに達すると、出力制御部１０は、第４の値ＩＤとなるように溶接電流Ｉを制御する。
　本実施形態では、第５ステップを設け、かつ、電力積算閾値ＰＴＨを適切に設定することで、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができる。以下、このことについてさらに説明する。
　図８は、実施形態に係る平均電流と電力積算閾値との関係を示す図である。
　図８に示すように、電力積算閾値ＰＴＨは、平均電流ＩＳが増加するにつれて単調に増加するように設定している。これは、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合もマグネシウム系材料の場合も同じである。
　一方、電力積算閾値ＰＴＨは、ワーク１７の材質がアルミニウム系材料の場合よりもマグネシウム系材料の場合で低くなるように設定している。図８に示す例では、平均電流ＩＳが、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、電力積算閾値ＰＴＨは、４ｋＷ～８ｋＷの範囲である。つまり、平均電流ＩＳが５０Ａ以上、２００Ａである場合、電力積算閾値ＰＴＨは、４ｋＷ以上、８ｋＷ以下である。
　従来、鉄系材料等の短絡溶接では、前述したくびれの発生を溶接電圧Ｖの変化に基づいて検出していた。溶接ワイヤ１８とワーク１７との間にくびれが発生すると、くびれ部分で抵抗値が増加する。この場合、短絡制御で溶接電流Ｉの変化量に対して、溶接電圧の変化量が大きくなる。そこで、電圧変化量に基づいてくびれの発生、つまり、短絡開放直前であることを検知すると、短絡開放直前に溶接電流Ｉを低下させ、スパッタの発生を抑制するようにしていた。
　しかし、マグネシウム（室温で４．３μΩ・ｃｍ程度）の電気抵抗率は、鉄（純鉄の場合、室温で１０．４μΩ・ｃｍ程度）と比べて小さく、アルミニウム（室温で２．８μΩ・ｃｍ程度）に近い。
　マグネシウムやアルミニウムのように電気抵抗率が低い材質の溶接ワイヤ１８を用いた場合、くびれが発生したとしても、くびれに起因する溶接電圧Ｖの変化量が小さく、また、ばらつきも大きいため、くびれの発生の有無を誤って判定するおそれがある。
　例えば、くびれが発生しているのにくびれ無し、と誤判定した場合には、溶接電流Ｉを低下させることなく短絡溶接が継続されるので、短絡開放時の入熱量が大きくなり、スパッタが発生してしまうおそれがあった。
　そこで、本実施形態に示すように、溶接ワイヤ１８に加わる熱量、具体的には、当該熱量に対応する電力積算値が電力積算閾値ＰＴＨに達すると、溶接電流Ｉを第４の値ＩＤとなるように制御する。このように、短絡開放前に溶接電流Ｉを低下させ、溶接ワイヤ１８に与える入熱量を少なくするようにすることで、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができる。また、くびれの発生を検知することなく、短絡開放前に溶接電流Ｉを低下させるようにしているので、くびれの有無を誤判定したことに起因する不具合を回避することができる。
　なお、電力積算値を算出するにあたって、溶接ワイヤ１８とワーク１７とが短絡してから、つまり、短絡が安定してから電力積算値の算出を開始するのが好ましい。このようにすることで、短絡が安定していない期間を除外して、電力積算値を算出することができる。
　あるいは、溶接ワイヤ１８が短絡してから溶接電流Ｉが上昇し始めた後で、電力積算値の算出を開始するようにしてもよい。このようにすることで、溶接電圧Ｖに変化があった場合でも、溶接ワイヤ１８に対して適正な熱量を与えることができる。
　（その他の実施形態）
　短絡溶接期間（溶接期間Ｔのｋ倍の期間（ｋは１以上の整数））の前後の少なくとも一方にパルス溶接期間を設けてもよい。パルス溶接期間では、溶接ワイヤ１８をワーク１７に向けて所定のワイヤ送給速度Ｓで送給するとともに、溶接ワイヤ１８にピーク電流とベース電流とを交互に流すことで、ワーク１７と溶接ワイヤ１８との間でアーク１９を発生させて、溶接を行う。
　また、パルス溶接期間と短絡溶接期間との間に、ワーク１７に対する入熱量をゼロにする冷却期間を設けてもよい。低入熱の短絡溶接期間と高入熱のパルス溶接期間との間に、入熱量がゼロである冷却期間を設けることで、溶接箇所での冷却効果を高め、入熱量の差を最も大きくすることができ、波目状が明瞭な鱗状の溶接ビードを実現できる。
　また、低入熱の短絡溶接、高入熱のパルス溶接、入熱量が０である冷却期間をそれぞれ調整することで、ワーク１７への入熱量を幅広く制御することができ、溶接ビード形状をより精密に制御することができる。
　本開示のアーク溶接方法は、マグネシウム系材料の短絡溶接において、溶接速度の向上が図れ、かつ、スパッタ等の発生を抑制できるため、有用である。
１　　入力電源
２　　主変圧器（トランス）
３　　一次側整流部
４　　スイッチング部
５　　ＤＣＬ（リアクトル）
６　　二次側整流部
７　　溶接電流検出部
８　　溶接電圧検出部
９　　制御切替部
１０　出力制御部
１１　短絡溶接制御部
１２　パルス溶接制御部
１３　ワイヤ送給速度制御部
１４　ワイヤ送給速度検出部
１５　演算部
１６　アーク溶接装置
１７　ワーク
１８　溶接ワイヤ
１９　アーク
２０　溶接チップ
２１　ワイヤ送給部
２２　溶接条件設定部
２３　短絡溶接設定部
２４　パルス溶接設定部

Claims (8)

  1. 　ワークに対して溶接ワイヤの正送と逆送とを交互に繰り返す短絡溶接を少なくとも行うアーク溶接方法であって、
    　前記ワーク及び前記溶接ワイヤの材質は、マグネシウムまたはマグネシウム合金であり、
    　前記溶接ワイヤの正送時には、前記溶接ワイヤと前記ワークとが短絡するように、前記溶接ワイヤを前記ワークに向けて送給し、
    　前記溶接ワイヤの逆送時には、前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡が開放されるように、前記溶接ワイヤを前記溶接ワイヤの正送時とは逆方向に送給し、
    　前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡が開放した後に、前記溶接ワイヤに流れる溶接電流を第１の値まで増加させる第１ステップと、
    　前記溶接電流が前記第１の値に到達した後に、前記溶接電流を低下させ、さらに、前記溶接ワイヤと前記ワークとが短絡する前に、前記溶接電流を前記第１の値よりも低い第３の値に低下させる第２ステップと、
    　前記溶接電流が前記第３の値に達してから前記溶接ワイヤと前記ワークとが短絡するまで、前記第３の値を維持するように前記溶接電流を制御する第３ステップと、を少なくとも備えたことを特徴とするアーク溶接方法。
  2. 　請求項１に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡が開放した直後から、前記溶接電流が前記第１の値よりも低い第４の値となるように、かつ、第１の期間、前記第４の値を維持するように前記溶接電流を制御する第４ステップをさらに備え、
    　前記第４ステップの実行後に前記第１ステップに移行し、
    　前記第１の期間は、前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡が開放してから前記溶接ワイヤと前記ワークとの間の距離が所定値に達するまでの期間であることを特徴とするアーク溶接方法。
  3. 　請求項２に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接ワイヤと前記ワークとの短絡後に、前記溶接ワイヤに加わる熱量が所定の閾値に達すると、前記第４の値となるように前記溶接電流を制御する第５ステップをさらに備えたことを特徴とするアーク溶接方法。
  4. 　請求項３に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接ワイヤに加わる熱量は、所定の期間内に前記溶接ワイヤに供給された電力を積算して得られる電力積算値に対応しており、
    　前記溶接ワイヤに供給される電力は、前記溶接ワイヤ１８と前記ワークとの間に加わる溶接電圧と前記溶接電流との積に基づいて算出され、
    　前記第５ステップにおいて、前記電力積算値が所定の電力積算閾値に達すると、前記第４の値となるように前記溶接電流を制御することを特徴とするアーク溶接方法。
  5. 　請求項１に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接電流の所定の期間における移動平均値を平均電流とするとき、
    　前記第３の値は、前記平均電流の増加につれて単調に増加し、
    　前記平均電流が、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、前記第３の値は、２０Ａ～８０Ａの範囲であることを特徴とするアーク溶接方法。
  6. 　請求項１に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接電流の所定の期間における移動平均値を平均電流とし、
    　正送時の前記溶接ワイヤの送給速度を正送送給速度とするとき、
    　前記正送送給速度は、前記平均電流の増加につれて単調に増加し、
    　前記平均電流が、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、前記正送送給速度は、３０ｍ／ｍｉｎ～７０ｍ／ｍｉｎの範囲であることを特徴とするアーク溶接方法。
  7. 　請求項２に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接電流の所定の期間における移動平均値を平均電流とするとき、
    　前記第１の期間は、前記平均電流の増加につれて減少し、
    　前記平均電流が、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、前記第１の期間は、４０００μｓｅｃ～１０００μｓｅｃの範囲であることを特徴とするアーク溶接方法。
  8. 　請求項４に記載のアーク溶接方法において、
    　前記溶接電流の所定の期間における移動平均値を平均電流とするとき、
    　前記電力積算閾値は、前記平均電流の増加につれて単調に増加し、
    　前記平均電流が、５０Ａ～２００Ａの範囲である場合、前記電力積算閾値は、４ｋＷ～８ｋＷの範囲であることを特徴とするアーク溶接方法。
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